(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
体積内に配置された発熱コンポーネントを取り囲むようにして前記体積を画定する１つまたは複数の側壁と、
前記１つまたは複数の側壁の少なくとも１つの側壁の表面に隣接して一体的に形成され、前記体積の外側に配置されたシンセティック・ジェット組立体と、
を備えるコンポーネントのエンクロージャであって、
前記シンセティック・ジェット組立体は、ジェット・ポートを備える少なくとも１つのシンセティック・ジェット・エジェクタを含み、前記ジェット・ポートは、前記少なくとも１つの側壁の表面と垂直、平行および斜めのうちの少なくとも１つで位置合わせされており、
前記シンセティック・ジェット組立体は、前記ポートを貫く流体のジェットを前記表面とほぼ平行、前記表面の上へ垂直、および前記表面に向って斜めのうちの少なくとも１つに向けるように構成され、前記流体のジェットが前記体積の外部へ流れ、
前記シンセティック・ジェット組立体が、直列流体連通で共に結合される複数のシンセティック・ジェット・エジェクタを備えること
を特徴とするコンポーネントのエンクロージャ。
【請求項２】
前記シンセティック・ジェット・エジェクタが、複数のジェット・ポートを備えることを特徴とする請求項１に記載のエンクロージャ。
【請求項３】
前記シンセティック・ジェット組立体が、単一のハウジング中に囲まれる複数のシンセティック・ジェット・エジェクタを備えることを特徴とする請求項１に記載のエンクロージャ。
【請求項４】
前記シンセティック・ジェット・エジェクタが、流体の流れが発生するように振動するように構成される圧電アクチュエータを備えることを特徴とする請求項１に記載のエンクロージャ。
【請求項５】
前記複数の側壁のうちの少なくとも１つ側壁が、拡張した表面を含み、前記ジェット・ポートが、前記拡張した表面の表面と垂直および斜めのうちの少なくとも１つで位置合わせされることを特徴とする請求項１に記載のエンクロージャ。
【請求項６】
体積を画定する複数の側壁を備えるコンポーネントのエンクロージャと、
前記体積内に配置される発熱コンポーネントと、
前記複数の側壁のうちの少なくとも１つの側壁の外側の表面に隣接して配置され、一体的に形成されたハウジングを備えたシンセティック・ジェット組立体と、
を備える電子式コンポーネントシステムであって、
前記シンセティック・ジェット組立体は、ジェット・ポートを備える少なくとも１つのシンセティック・ジェット・エジェクタを含み、前記ジェット・ポートは、前記少なくとも１つの側壁の表面と垂直、平行および斜めのうちの少なくとも１つで位置合わせされており、
前記シンセティック・ジェット組立体は、前記ポートを貫く流体のジェットを前記表面とほぼ平行、前記表面の上へ垂直、および前記表面に向って斜めのうちの少なくとも１つに向けるように構成され、前記流体のジェットが前記体積の外部へ流れ、
前記シンセティック・ジェット組立体が、直列流体連通で共に結合される複数のシンセティック・ジェット・エジェクタを備えること
を特徴とする電子式コンポーネントシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にコンポーネントのエンクロージャに関し、より具体的には、コンポーネントのエンクロージャの自然対流冷却を強化するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくともいくつかの知られた応用分野では、コンポーネントおよびシステム（例えば、航空機に対して計算能力や電力を供給する様々なデジタルエレクトロニクスシステムおよびパワーエレクトロニクスシステムなどのシステム）は、軽量かつ信頼できるものであることが重要である。コンポーネントの受動的冷却は、信頼できるものであることで知られているが、冷却性能の観点からは、最も効率の低い冷却方法でもあり、典型的には、所定量の冷却のために大きなシステムを必要とする。受動的冷却の性能を拡張するために使用されるいくつかの選択肢として、表面を拡張することや、より高い熱伝導性を有する新しい材料を使うことである。表面の拡張は、伝熱面積を増大させる。拡張した表面には、フィン、リブ、および他の突出部が含まれる。より高い熱伝導性を有する材料は、エンクロージャの熱抵抗を減少させる。拡張した表面とより高い熱伝導性の新しい材料は共に、自然対流の簡潔さおよび信頼性に影響を及ぼすことなくより高い性能を実現する。しかし、表面拡張やより高い熱伝導性材料の使用は共に、性能限界を有する。
【０００３】
損失密度が受動的冷却が実用的である場合を越えるときには、活性ガスまたは液体の冷却が用いられる。活性ガスまたは液体を冷却とすると、より軽くはなるが、信頼性がより低下する。表面を拡げたり、先端材料を用いてなされる改良がそれらの限界に到達するときには、ファンまたは他のガス冷却装置を用いて、冷却ガスを表面を横切らせ、あるいは表面に対して強制的に吹き付けるような、能動的冷却を用いることがよく、能動的冷却は自然対流に比べて流体膜の熱抵抗をかなり減少させる。利用できる冷却用空気をすぐ近くから取り込むことに加えて、強制対流の手法における冷却ガスは調整可能であり、より冷たくなり、したがってより効率的である。さらなる選択肢は、液体冷却である。典型的には液体は、ガスより効率的な熱伝導流体であり、したがってより多くの熱を除去できる。活性ガス冷却および液体冷却は、受動的冷却システムより信頼性が低く、より複雑であり、活性ガス冷却と液体冷却は共に、受動的冷却の手法より本質的に信頼性が低い可動部を備えるシステムを必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，０５５，３２９号公報
【特許文献２】米国特許第６，７２２，５８１号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／０，１９０，３０５号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００３／０，０７５，６１５号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、コンポーネントのエンクロージャは、体積を画定する１つまたは複数の側壁を備え、これら側壁は、体積内に配置される発熱コンポーネントを実質的に取り囲むように構成される。コンポーネントのエンクロージャは、側壁のうちの少なくとも１つの側壁に隣接して配置されるシンセティック・ジェット組立体をさらに備える。シンセティック・ジェット組立体は、ジェット・ポートを有する少なくとも１つのシンセティック・ジェット・エジェクタを含む。ジェット・ポートは、少なくとも１つの側壁の表面と垂直、平行および斜めのうちの少なくとも１つで位置合わせされる。シンセティック・ジェット組立体は、上記ポートを貫く流体のジェットをこの表面とほぼ平行、この表面の上へ垂直、およびこの表面に向って斜めのうちの少なくとも１つに向けるように構成される。
【０００６】
別の実施形態では、エンクロージャの冷却を増大させる方法は、エンクロージャの複数の側壁のうちの少なくとも１つの側壁に隣接してシンセティック・ジェット組立体を配置するステップを含み、このシンセティック・ジェット組立体は、ジェット・ポートを有する少なくとも１つのシンセティック・ジェット・エジェクタを含む。ジェット・ポートは、少なくとも１つの側壁の表面と垂直、平行および斜めのうちの少なくとも１つで位置合わせされ、シンセティック・ジェット組立体は、ジェット・ポートを貫く流体のジェットをこの表面とほぼ平行、この表面の上へ垂直、およびこの表面に向って斜めのうちの少なくとも１つに向けるように構成される。
【０００７】
さらに別の実施形態では、電子式コンポーネントシステムは、体積を画定する複数の側壁を備えるコンポーネントのエンクロージャと、体積内に配置される発熱コンポーネントと、複数の側壁のうちの少なくとも１つの側壁に隣接して配置されるシンセティック・ジェット組立体とを備える。シンセティック・ジェット組立体は、ジェット・ポートを有する少なくとも１つのシンセティック・ジェット・エジェクタを含む。ジェット・ポートは、少なくとも１つの側壁の表面と垂直、平行および斜めのうちの少なくとも１つで位置合わせされる。シンセティック・ジェット組立体は、ジェット・ポートを貫く流体のジェットをこの表面とほぼ平行、この表面の上へ垂直、およびこの表面に向って斜めのうちの少なくとも１つに向けるように構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】既知の自然通風冷却されたコンポーネントのエンクロージャの斜視図である。
【図２】図１に示すエンクロージャの熱プロファイルマップである。
【図３】本発明の典型的な一実施形態によるコンポーネントのエンクロージャの図である。
【図４】図３に示すエンクロージャの熱プロファイルマップである。
【図５Ａ】圧縮または放出段階時の本発明の典型的な一実施形態による図３に示すシンセティック・ジェット組立体の断面図である。
【図５Ｂ】膨張または吸込み段階時の図３に示すシンセティック・ジェット組立体の断面図である。
【図６】本発明の典型的な別の実施形態によるシンセティック・ジェット組立体の断面図である。
【図７】本発明の一実施形態による図３に示すシンセティック・ジェット組立体の分解断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の詳細な説明は、限定としてではなく一例として本発明の実施形態を示す。
【００１０】
図１〜図は、本明細書に記載される方法およびシステムの典型的な実施形態を示す。本発明は、工業、商業および住居の用途において冷却を強化し、層流を破壊することに対する一般的な用途を有すると考えられる。
【００１１】
本明細書では、単数形で記述され、「１つの」、「ある」、または「一」（「ａ」または「ａｎ」）という用語を用いて続けて述べられる要素またはステップは、複数の要素またはステップを除外しないものとして理解されたい（ただし、かかる除外が明確に記述されている場合は除かれる）。さらに、本発明の「一実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」への言及は、記述した特徴をやはり組み込む追加の実施形態の存在を除外するものとして解釈されるものではない。
【００１２】
図１は、既知の自然通風冷却されたコンポーネントのエンクロージャ１００の斜視図である。エンクロージャ１００は複数の側壁１０２および上壁１０４を有し、これらが、体積を形成する、この体積内部には、発熱コンポーネント（図示せず）が配置され得る。エンクロージャ１００を取り囲む空気は、典型的には対流によって側壁１０２の表面１０６から熱を除去する。側壁１０２の下部１０８近くの空気は、エンクロージャ１００内のコンポーネントによって発生して側壁１０２にまで伝導した熱を、そこを通過する際に受け取る。暖められた空気は、側壁１０２に隣接して上昇し、自然対流によって上昇する空気の流れ１１０を形成する。空気が側壁１０２に隣接して上昇する際に、この空気は、側壁１０２の上部１１２からより多くの熱を受け取る傾向がある。この空気がより多くの熱を受け取るにつれて、この空気の温度は上昇し、より多くの熱を受け取ろうとする能力は減少し、その結果、エンクロージャ１００に対する冷媒としての効果を減少させる。エンクロージャ１００が除去できる総熱量は、コンポーネントの故障を引き起こすことのない、発熱コンポーネントの発生許容熱量を定める。自然循環冷却の熱除去能力は限られているので、他の熱除去方法が、一次冷却法として、または少なくとも補助冷却法としてしばしば用いられる。例えば、いくつかの知られているコンポーネントのエンクロージャには、水冷、ファンおよび／または強制空冷が含まれる。
【００１３】
図２は、（図１に示す）エンクロージャ１００の熱プロファイルマップ２００である。マップ２００は、（図１に示す）側壁１０２の高さに沿った位置を表すｘ軸２０２を含む。ｙ軸２０４は、側壁１０２から遠ざかるように延びる距離を表す。第１の温度の階調（濃淡）２０６は、エンクロージャ１００および近接下部１０８から離れたところの第１の温度を示す。第２の温度の階調２０８は、階調２０６より大きい熱量を含む空気の流れの層流層を示す。第３の温度の階調２１０は、階調２０８より大きい熱量を含む空気の流れの層流層を示す。第４の温度の階調２１２は、階調２１０より大きい熱量を含む空気の流れの層流層を示す。階調２１２は、階調２０６、２０８および２１０より高い温度であり、このより高い温度は、階調２１２の冷却効果を減少させる。
【００１４】
図３は、本発明の典型的な一実施形態によるコンポーネントのエンクロージャ３００である。典型的な実施形態では、エンクロージャ３００は、内部体積内に配置される発熱コンポーネント（図示せず）を実質的に取り囲むように構成される体積（図示せず）を画定する１つまたは複数の側壁３０２を備える。エンクロージャ３００は、側壁３０２のうちの少なくとも１つの側壁に隣接して配置されるシンセティック・ジェット組立体３０４を備える。シンセティック・ジェット組立体３０４は、ハウジング３０８を貫いて延在する少なくとも１つのジェット・ポート３０６を含む。典型的な実施形態では、ジェット・ポート３０６は、流体のジェットがそれぞれの側壁３０２とほぼ平行に噴出されるように、それぞれの側壁３０２に対してほぼ垂直に位置合わせされる。他の実施形態では、ジェット・ポート３０６は、ジェット・ポート３０６が流体のジェットを側壁３０２に向って垂直にまたは側壁３０２に向って斜めにそれぞれ向けるように、側壁３０２に対して平行および斜めに位置合わせできる。
【００１５】
典型的な実施形態では、エンクロージャ３００は、リブ、フィン、または側壁３０２の表面からの他の突出部などの拡張した表面を含む少なくとも１つの側壁３０２を備え、この拡張した表面は、エンクロージャ３００の外側の外気と接触している側壁３０２の表面積を増大させる傾向がある。側壁３０２が拡張した表面を含むときは、ジェット・ポート３０６は、拡張した表面の表面と平行、垂直または斜めに位置合わせできる。
【００１６】
ハウジング３０８は、例えばエンクロージャ３００への部品の追加のように、またはエンクロージャ３００の当初組立時のエンクロージャ３００への別個の追加のように、エンクロージャ３００に結合可能である別個のデバイスであってよい。他の代替の実施形態では、シンセティック・ジェット組立体ハウジング３０８は、側壁３０２の表面と一体的に形成される。
【００１７】
ハウジング３０８は、単一のハウジング３０８中に（図３に示さない）複数のシンセティック・ジェット・エジェクタを有するシンセティック・ジェット組立体３０４を収容するために複数のジェット・ポート３０６を含んでもよい。加えて、ハウジング３０８は、単一のハウジング３０８中に複数のシンセティック・ジェット組立体３０４を収容するために複数のジェット・ポート３０６を含んでよい。本発明の一実施形態では、複数のシンセティック・ジェット・エジェクタは、単一のシンセティック・ジェット組立体３０４中に直列流体連通（ｓｅｒｉａｌ  ｆｌｏｗ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）で互いに結合されてよい。そのような配置により追加の圧力の増加がもたらされて、シンセティック・ジェット組立体３０４中の単一のシンセティック・ジェット・エジェクタよりもより大きい距離、および／または単一のシンセティック・ジェット・エジェクタよりも大きい距離についてよりコヒーレントな形態でジェット・ポート３０６を出るジェットを推進させる。
【００１８】
図４は、（図３に示す）エンクロージャ３００の熱プロファイルマップ４００である。マップ４００は、（図３に示す）側壁３０２の高さに沿った位置を表すｘ軸４０２を含む。ｙ軸４０４は、側壁３０２から遠ざかるように延びる距離を表す。シンセティック・ジェット組立体３０４は、流体のジェットを側壁３０２とほぼ平行に向けるように構成される。この流体のジェットは、側壁３０２の表面に沿った流体の層流を破壊し、ジェットが側壁３０２の表面に対して追加的な空冷をもたらすことを可能にするとともに、外気が側壁３０２の表面に到達し、側壁３０２をさらに冷却することを可能にする。
【００１９】
図５Ａは、圧縮または放出段階時の本発明の典型的な一実施形態によるシンセティック・ジェット組立体３０４の断面図である。図５Ｂは、膨張または吸込み段階時のシンセティック・ジェット組立体３０４の断面図である。典型的な実施形態では、シンセティック・ジェット組立体３０４は、ハウジング３０８と、少なくとも１つのシンセティック・ジェット・エジェクタ５０２とを含む。シンセティック・ジェット・エジェクタ５０２は、冷却されるコンポーネント５０６の表面５０４と垂直、平行または斜めに向けることができるジェット・ポート３０６を含む。シンセティック・ジェット組立体３０４は、ジェット・ポート３０６を出るジェット・ポート３０６を貫く流体５０８の流れを表面に平行、表面に垂直、または表面に向って斜めである流体のジェット５１０として向けるように構成される。シンセティック・ジェット・エジェクタ５０２は、圧電アクチュエータ５１４を含む。アクチュエータ５１４は、圧電効果の影響によって振動し、流体のジェット５１０が発生しジェット・ポート３０６を出るように構成される。流体のジェット５１０は、渦リング５１６が流体のジェット５１０中に形成されるように構成されてよい。渦リング５１６は、自然対流で冷却された表面に沿って形成され得る層状膜を破壊するのに役立つ。ガス状媒質を用いて作動させるように説明したが、シンセティック・ジェット組立体３０４は、作動流体として誘電性流体を利用することもできる。
【００２０】
圧電アクチュエータ５１４によって少量の電力が消費され、圧電アクチュエータ５１４を振動させる。図５Ａに示されるシンセティック・ジェット・エジェクタ５０２の動作の第１の段階時には、圧電アクチュエータ５１４は、空洞５１８に向って内側に圧縮され、流体を空洞５１８からジェット・ポート３０６を通じて排出する。図５Ｂに示されるシンセティック・ジェット・エジェクタ５０２の動作の第２の段階時には、圧電アクチュエータ５１４は、空洞５１８から離れるように外側に膨張し、流体を空洞５１８の中にジェット・ポート３０６を通じて引き込む。圧電アクチュエータ５１４は、その形状により、振動の作用が流体をジェット・ポート３０６を通じて空洞５１８の中に引き込み、次いでその後に流体を空洞５１８から再びジェット・ポート３０６を通じて排出することを可能にするように、シンセティック・ジェット・エジェクタ５０２に設計される。ジェット・ポート３０６を通じての吸引および放出の物理的過程は異なる。流体がジェット・ポート３０６を通じて引き込まれるときは、ジェット・ポート３０６は、流体を穴の周囲全体の領域から引き込む。したがって、流体量の大部分は、ジェット・ポート３０６のすぐ周囲の領域中の流体からである。シンセティック・ジェット・エジェクタ５０２が流体をジェット・ポート３０６から排出するときは、ジェットが形成される。このジェットは、高速で移動し、ジェット・ポート３０６から離れてかなりの距離にわたってそのままを保つ。
【００２１】
ジェットは、様々な方向に向けることができる。このジェットは、表面と垂直に向けることができる。そのような向きは、ジェットが向けられる表面の領域に対して追加の局所冷却をもたらす傾向がある。ジェットが表面と平行に向けられる場合は、ジェットは、表面に沿っての流速の増大によって表面に対する直接冷却をもたらすだけでなく、ジェットの周辺に沿って追加の流体を同伴もする。したがって、表面に沿って流体を強化することに関与する流体の量は、シンセティック・ジェット空洞５１８から排出されるものだけでなく、ジェットによって同伴される追加の流体である。
【００２２】
図６は、本発明の典型的な別の実施形態によるシンセティック・ジェット組立体６００の断面図である。典型的な実施形態では、ハウジング３０８は、直列流体連通で配向される複数のシンセティック・ジェット・エジェクタ５０２を含み、第１のシンセティック・ジェット・エジェクタ６０２からの流れは、第２のシンセティック・ジェット・エジェクタ６０４の中に吐出され、次いで流れは、第３のシンセティック・ジェット・エジェクタ６０６の中に吐出されるようになっている。第１のシンセティック・ジェット・エジェクタ６０２中で発生する流れは、第２のシンセティック・ジェット・エジェクタ６０４中で発生する流れに同調するように構成され、この第２のシンセティック・ジェット・エジェクタ６０４の中に第１のシンセティック・ジェット・エジェクタ６０２は吐出し、第２のシンセティック・ジェット・エジェクタ６０４は、第３のシンセティック・ジェット・エジェクタ６０６中で発生する流れに同調するように構成され、この第３のシンセティック・ジェット・エジェクタ６０６の中に第２のシンセティック・ジェット・エジェクタ６０４は吐出する。第１のシンセティック・ジェット・エジェクタ６０２、第２のシンセティック・ジェット・エジェクタ６０４、および第３のシンセティック・ジェット・エジェクタ６０６に関連する圧電部材それぞれに印加される電圧を制御することによって、シンセティック・ジェット組立体６００を貫く流体の流れが促進でき、流れおよび／または圧力が増大し、強化されたジェットの形成を可能にする。
【００２３】
図７は、本発明の一実施形態によるシンセティック・ジェット組立体３０４の分解断面図である。典型的な実施形態では、シンセティック・ジェット組立体３０４は、上カバー７０２と、第１のスペーサリング７０４と、第１の圧電アクチュエータ７０６と、第２のスペーサリング７０８と、第２の圧電アクチュエータ７１０と、第３のスペーサリング７１２と、底カバー７１４とを含み、全てが順次隣接した関係で積み重ねられている。１つまたは複数のアライメントタブ７１６により、前述のコンポーネントの軸合わせを行って、各ピン連結具７１８を用いて互いにコンポーネントの結合を行う。上カバー７０２および底カバー７１４の内面に刻まれた溝７２０は、上カバー７０２と第１の圧電アクチュエータ７０６の間および第２の圧電アクチュエータ７１０と底カバー７１４の間に形成される空洞を封止するためのＯリング（図示せず）を受けるように構成される。それぞれのスペーサ７０４、７０８および７１２中の間隙７２２、７２４および７２６は、動作時に空洞の中へおよび空洞から外への流体の入口および出口を与える。
【００２４】
シンセティック・ジェットを電子装置の表面冷却に適用する方法およびシステムの上述の実施形態は、コンポーネントのエンクロージャの自然循環冷却を強化する費用効果の高い、信頼できる手段を提供する。より具体的には、本明細書中に記載される方法およびシステムは、エンクロージャの表面に沿った層流の層の破壊を促進する。加えて、上述の方法およびシステムは、追加の冷媒をエンクロージャに直接供給し、追加の流体を同伴することを促進して、流れの増大をもたらす。結果として、本明細書中に記載される方法およびシステムは、費用効果の高い、信頼できるやり方で、著しい重量および／または信頼性コストの追加なしでコンポーネントの冷却の強化を促進する。
【００２５】
本開示を様々な具体的な実施形態の観点から説明してきたが、本開示は、特許請求の範囲の精神および範囲内の修正形態を用いて実施できることが理解されよう。
【符号の説明】
【００２６】
１００  通風冷却されたコンポーネントのエンクロージャ
１０２  側壁
１０４  上壁
１０６  表面
１０８  下部
１１０  流れ
１１２  上部
２００  熱プロファイルマップ
２０２  ｘ軸
２０４  ｙ軸
２０６  第１の温度の階調
２０８  第２の温度の階調
２１０  第３の温度の階調
２１２  第４の温度の階調
３００  コンポーネントのエンクロージャ
３０２  側壁
３０４  シンセティック・ジェット組立体
３０６  ジェット・ポート
３０８  シンセティック・ジェット組立体ハウジング
４００  熱プロファイルマップ
４０２  ｘ軸
４０４  ｙ軸
５０２  シンセティック・ジェット・エジェクタ
５０４  表面
５０６  コンポーネント
５０８  流体
５１０  流体のジェット
５１２  圧電部材
５１４  アクチュエータ
５１６  渦リング
５１８  シンセティック・ジェット空洞
６００  シンセティック・ジェット組立体
６０２  第１のシンセティック・ジェット・エジェクタ
６０４  第２のシンセティック・ジェット・エジェクタ
６０６  第３のシンセティック・ジェット・エジェクタ
【図１】
0005237878.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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